Ротационный и космический факторы в геодинамике

При анализе сил внешнего воздействия на планету необходимо выделить две стороны этого явления: собственное вращение Земли вокруг своей оси и то воздействие, которое оказывает окружающая среда на это вращение, обусловливая неоднородность его скорости.

Силовые поля, обусловленные ротационными силами, возникают в связи с тем, что Земля испытывает осевое вращение, скорость которого нестабильна и в целом убывала во времени из-за тормозящего влияния приливов. При вращении возникает центробежная сила, величина которой определяется из соотношения:

F = mω ² R,

где, m - масса элементарного объема, ω - угловая скорость вращения Земли, R, - радиус окружности, соответствующей широтному положению элементарного объема.

Одним из следствий вращения является эллипсоидальная форма планеты. Происходят периодические изменения параметров вращения – наклона оси к плоскости эклиптики (период 40 тыс. лет), прецессии (период 20 тыс. лет), эксцентриситета орбиты (период 100 тыс. лет). Инструментальными наблюдениями, кроме того, установлена периодичность изменения скорости вращения трех порядков; суточная, сезонная, декадная. С помощью спутниковой локации установлено, что с этой периодичностью согласуется периодичность изменения фигуры Земли. А. Л. Яншин предполагает, что продолжительность суток на границе силура и девона не превышала 18 час, а скорость вращения Земли в начале рифея была в два раза больше современной. На изменение скорости осевого вращения Земли оказывают влияние особенности ее движения по орбите вокруг Солнца, ее перемещение вместе с Солнечной системой вокруг ядра Галактики, гравитационное взаимодействие с Луной.

Поскольку при перемещении Земли в составе Солнечной системы от апогалактия к перигалактию ее скорость и масса возрастают, планета испытывает сжатие. При движении от перигалактия к апогалактию она расширяется. Такая пульсация объема Земли, ее среднего радиуса и средней плотности приводят к изменению скорости осевого вращения. Поскольку в ходе геологической истории Земля претерпевает общее гравитационное сжатие, то при интерференции этих процессов сжатие преобладает над расширением. По астрономическим и геофизическим данным скорость векового сжатия планеты в среднем за столетие составляет 2, 6 см, а в современную эпоху по расчетам А.Т. Асланяна – до 6, 4 см за 100 лет. Тем не менее, скорость вращения уменьшается, поскольку приливное вековое замедление в три раза больше векового ускорения. Устанавливаемое по астрономическим данным увеличение длины суток за 100000 лет (+2с) – результат сложения приливно обусловленного роста суток (+3 с) и уменьшения периода осевого вращения за счет векового сжатия (-1 с). М. В. Стовас (1962), а затем и Г. Н. Каттерфельд (2000) показали, что при полярном сжатии планеты, которое сопряжено с растяжением в экваториальной плоскости, с учетом трехосности геоида, выделяются экстремальные и критические круги. Экстремальные круги – параллели 0°, 62°, 90°; меридиан 105-75°. Здесь наиболее велики нормальные радиальные напряжения. Критические круги – это зоны параллели 35° и меридианов 60-120° и 150-30°, где максимального значения достигают касательные напряжения. При этом в процессе общего замедления скорости вращения и, связанного с ним векового уменьшения полярного сжатия Земли Северное полушарие опережает Южное и возникает полярная асимметрия фигуры Земли. На севере параллель 62° ограничивает Северный Ледовитый океан, а на юге – Антарктиду.

Трехосность Земли, ее разделение по меридиану малой оси экватора 105-75° на океаническое и континентальное полушария, объясняются развитием системы Земля-Луна Большая ось трехосного эллипсоида проходит по направлению Тихий океан – Африка. Асимметричный трехосный эллипсоид стремится к устойчивой сферической форме. Следствием этого является уменьшение векового экваториального сжатия в восточно-западной асимметрии Земли.

При вращательном движении происходит вековое относительное отставание северных зон и опережение южных, нарастающее от экватора и полюсов к параллелям 62°, чем объясняется относительный сдвиг обоих полушарий по указанным параллелям и S – образное искривление меридиональных осей Америки, Австралии и преобладание на большей части литосферы разломов северо-западного простирания.

Большое значение имеет гравитационное влияние Луны. Ю. Н. Авсюк (2001) отметил, что, характеризуя орбитальное ускорение небесного тела, принято выделять невозмущенную (Кеплерову) часть и возмущения. При оценках приливных сил необходимо учитывать влияние не только Луны (невозмущенная составляющая), но и Солнца (возмущенная составляющая). Масса Луны составляет 1/81 долю от массы Земли. Она вместе с Землей образуем единую планетную систему (двойную планету), центр (барицентр) которой расположен на расстоянии 0, 8 земного радиуса (глубина примерно 1270 км от поверхности Земли). Эклиптика Земли – это плоскость орбиты барицентра. Система Земля – Луна, вращаясь вокруг барицентра, сообщает Земле приливную силу как со стороны Луны 0, 000056 см /с², так и со стороны Солнца 0, 00002 см /с². Отношение лунной части гравитационного влияния к солнечной составляет 0, 34. Угловая скорость планеты существенно больше угловой скорости движения спутника по орбите. Под воздействием приливов гидросфера деформировалась и приобрела форму эллипсоида, большая полуось которого из-за разницы угловых скоростей оказалась смещенной относительно линии, соединяющей центры Земли о Луны на угол ε. При положительном значении этого угла гравитационное взаимодействие ускоряет орбитальное движение спутника и замедляет вращение планеты. Если угол отрицательный, то замедляется орбитальное движение спутника и ускоряется вращение планеты.

Для структурно неоднородной Земли, состоящей из атмосферы, гидросферы, коры, мантии, жидкого внешнего ядра, внутри которого «взвешено» твердое ядро, по модулю приливной силы, действующей в центре планеты, с учетом коэффициента жесткости связи ядра, можно оценить смещения внутреннего ядра для разных расстояний Земля-Луна (в диапазоне от 127400 км до 509600 км) и соответствующие смещениям изменения силы тяжести на поверхности. Оценки показывают, что изменение силы тяжести на поверхности играют определенную роль в формировании динамической фигуры гидросферы. Можно установить расстояние r между Луной и Землей, при котором прямое приливное воздействие станет равным соответствующему изменению силы тяжести из-за смещения внутреннего ядра. На этом расстоянии Луна будет продолжать удаляться, но с уменьшением скорости по радиусу орбиты, пока скорость не изменит знака, и не начнется возвратное движение. При возвратном движении Луна пройдет рубеж r с максимальной скоростью, и будет продолжать приближаться к Земле, но уже затормаживаясь прямым приливным воздействием, пока не достигнет наибольшего сближения, где скорость вновь изменит знак. Диапазон «ухода-прихода» зависит от кинетической энергии вращения планеты, и поэтому он ограничен величиной 8 радиусов Земли (50960 км). Современное расстояние Земля-Луна равно 60 радиусам – 380 000 км. Исходя из этих данных, можно оценить изменение периода вращения Земли, продолжительность сидерического месяца. Флуктуация энергии в цикле достигает нескольких процентов от кинетической энергии вращения Земли. При ее изменении на 1% и постоянном значении момента инерции, период вращения планеты вокруг оси увеличивается или уменьшается в диапазоне 10 минут, что влечет за собой изменения центробежного ускорения в пределах 0, 02 см/с². Это значительно превышает вариации приливной силы (современный модуль – 0, 0002 см/с²) и может сказаться на динамическом сжатии Земли и отношении экваториальной и полярной оси в диапазоне порядка сотен метров.

Продолжительность сидерического месяца для крайних орбитальных положений Луны составляет (в сутках): для 350350 км – 24; для 382200 км (современное) – 27, для 414050 км – 30. В зависимости от этого изменения наклона экватора к эклиптике находится в пределах 10°.

Согласно схеме эволюции системы Земля – Луна ось вращения изменяет свое положение, изменяется и модуль скорости вращения. При медленных перемещениях оси и малых приращениях скорости время изменения напряженного состояния больше времени упруго-вязкой релаксации напряжений в породах, и ослабление напряжений реализуется механизмами пластической деформации. При быстром изменении режима вращения Земли (прохождение Луной среднего положения), характерное время меньше времени упруго-вязкой релаксации – происходит разрушение пород.

Рассматриваемая схема предусматривает цикличность, когда периоды относительно плавного развития сменяются периодами активизации. Существует принципиальная возможность объяснить инверсии магнитного поля. За время цикла оболочки находятся то в режиме ускорения, то в режиме торможения, а значит, течение в жидком ядре будет менять свой знак.

Приливные силы приводят к вынужденному перемещению внутреннего ядра Земли, в результате чего смещается центр тяжести планеты. Перемещение центра тяжести приводит к смещению полюсов и деформациям поверхности со скоростью до 2 см/год. Приливные силы и скачки скорости вращения служат триггерами разрядки напряжений, влияя на суточную и более крупную периодичность тектонической активности.

Луна удаляется в непостоянном режиме и причина этого заключается в смещении внутреннего ядра Земли. Сближение ее с Землей приводит к уменьшению наклона плоскости экватора к эклиптике, что изменяет характер распределения солнечной радиации на поверхности планеты. Изменение сжатия Земли при изменении скорости вращения порождает дополнительные напряжения. Крайне слабые, но постоянно действующие приливы в режиме сжатия-растяжения раскачивают блоки коры, увеличивая проницаемость зон разломов для флюидов, водорода, гелия. Энергия приливов составляет примерно 10 в тридцатой степени эргов, что в 10 тысяч раз меньше энергии ротационных сил. Приливы действуют, как своеобразная вибрация. Но в прошлом их влияние было более существенным. Лунные приливы вызывают напряжения в тонкой поверхностной оболочке Земли и при этом амплитуда вариаций максимальна на экваторе и минимальна на полюсах.

Кроме центробежной силы, большое значение имеет сила Кориолиса. Она проявляется в наблюдаемом отклонении пути тела, перемещающегося во вращающейся системе координат. Таким образом, Кориолисово смещение – это результат движения элементарного объема, изменения при этом его широтного положения и вращения Земли вокруг своей оси. Вектор силы Кориолиса определяется из соотношения:

F¯ = 2m [ω ¯ V¯ ],

где - m – масса элементарного объема, ω ¯ - вектор частоты вращения Земли (направленный на Полярную звезду), V¯ - вектор скорости движения элементарного объема.

При взаимодействии центробежной силы, направленной перпендикулярно оси вращения, силы тяжести, ориентированной к центру планеты, силы Кориолиса, вызывающей отклонение пути, возникает сложная структура поля напряжений.

Если западная компонента дрейфа относительно постоянна и объясняется действием ротационно-приливных сил, замедляющих вращение вышележащих геосфер относительно нижележащих, то северная компонента должна убывать по мере скопления континентов в северной полярной области. Она вполне может объяснить отмеченную асимметрию фигуры Земли. Предполагается, что северная компонента дрейфа континентов обусловлена тектоническим течением подконтинентальной мантии и кинематически связанного с ней внешнего «жидкого» ядра. С учетом компенсационной организации тектонического течения можно предположить, что поверхностный северный (направленный вдоль меридианов) поток должен компенсироваться в тылу глубинным южным горизонтальным противопотоком. Таким образом, в мантии осуществляется осесимметричная одноячейковая конвекция. Предполагается, что такая конвекция является вынужденной, поскольку данные сейсмотомографии не позволяют считать, что в зоне восходящего потока под Южным полюсом существует аномально горячая мантия. Конвекцию можно увязать с упомянутой западной компонентой дрейфа. Поскольку эта компонента выглядит как вращение континентов вокруг земной оси (со стороны Южного полюса против часовой стрелки, а со стороны Северного полюса – по часовой стрелке), то, по известному из физики «правилу буравчика», такое вращение должно сопровождаться восходящим потоком под Южным полюсом и нисходящим – под Северным. Таким образом, ротационно-приливные силы могут рассматриваться в качестве единой геодинамической системы, которая охватывает все оболочки Земли и состоит из систем меньшего размера и иного («компенсационного») качества – ячеек. Они, в свою очередь, подразделяются на еще меньшие системы – домены, обладающие своим качеством (однородностью деформаций). Одноячейковая конвекция содержит один восходящий, один нисходящий и два горизонтально направленных потока. Любая ячейка делится на четыре домена: два домена горизонтального сжатия и два домена горизонтального растяжения, которые расположены в шахматном порядке. В ячейке верхний домен горизонтального растяжения находится в пределах Южного полушария. Его граница с нижним доменом горизонтального растяжения располагается на неизвестной глубине. Неясно и положение подошвы нижнего домена. Верхний домен горизонтального сжатия расположен в Северном полушарии. Его границы также не известны. Одним из признаков возможного восходящего потока и горизонтального растяжения в области Южного полюса является наличие радиальных по отношению к полюсу грабенов, возникших на неотектоническом этапе. Для Северной полярной области возможен нисходящий поток и обстановка горизонтального сжатия. Среди признаков нисходящего потока - специфический рифтовый и пострифтовый режимы с формированием глубоких впадин, а также весьма медленный спрединг в хребте Гаккеля.

На фоне ротационно-приливной геодинамической системы и в кооперации с ней действуют системы, обусловленные силами, возникающими в результате процессов внутреннего саморазвития планеты, ее важнейших оболочек.

Степень динамического воздействия географической оболочки на развитие тектонических движений еще мало изучена. Атмосферные процессы в основном определяются солнечной радиацией. Динамическое состояние атмосферы зависит от неравномерного распределения тепла, которое обусловливает распределение давления. Приземная атмосфера мощностью 1, 5 км называется планетарным пограничным слоем. Она подвержена влиянию трения о земную поверхность. Именно в этом слое происходит обмен теплом и водяным паром с земной поверхностью и с поверхностью океана, возникает облачность, а скрытая теплота конденсации порождает мощные атмосферные возмущения. Под общей циркуляцией атмосферы понимают крупномасштабные воздушные течения. Выделяются области высокого давления над полюсами, низкого давления на широтах 60-65°, средние широты, где преобладают циклоны и антициклоны; области высокого давления субтропических антициклонов на широтах 30-35°, низкого давления на экваторе. Крупномасштабная циркуляция воздуха является геострофической. Движение воздушных масс направлено по изобарам, кроме пограничного слоя, где сказывается трение о земную поверхность. В экваториальной зоне условия геострофичности не выполняются и в циркуляции преобладают широтные направления.

Важнейшей характеристикой океанов являются течения. Это горизонтальные перемещения огромных масс воды. Например, только одно течение Гольфстрим в продолжение года переносит 750 тысяч куб. км воды, что в 20 раз больше годового стока всех рек мира. Все главнейшие течения Мирового океана являются фрикционными (дрейфовыми). Они подчиняются перепаду температур и постоянно движущимся воздушным массам в атмосфере. Кроме того, на них действует сила Кориолиса, которая в северном полушарии отклоняет их к востоку, а в южном – к западу. Течения этого типа относят к геострофическим. Скорость течения прямо пропорциональна скорости ветра и уменьшается с увеличением широты местности. Геострофические течения образуют систему гигантских круговоротов. В частности, мощное круговое течение (течение Западных ветров) омывает Антарктиду. Предполагается, что оно достигает дна и его конфигурация определяется подводным рельефом. Антарктическое циркумполярное течение характеризуется наибольшим среди всех течений расходом воды – около 200 млн. кубометров в секунду. Кроме названных течений в океанах выделяются стоковые течения, возникающие в результате обильных атмосферных осадков, при интенсивном таянии ледников. Плотностные течения обусловлены неравномерным распределением температуры и солености воды по горизонтали.

Рассмотренные течения относятся к поверхностным. Кроме них выделяются промежуточные по глубине (подповерхностные), глубинные (придонные) и донные течения. Они тесно связаны с поверхностными, образуя конвективные системы различных рангов. В местах погружения масс воды формируются обширные водовороты. В местах подъема возвратных потоков возникает апвеллинг.

Несомненно, перемещения водных масс способны порождать еще мало изученные силы, воздействующие на планету в целом.

Хотя солнечная энергия, получаемая в настоящее время Землей за год (около 100 млрд. МВт), примерно равна лишь двум миллиардным долям всей энергии, излучаемой Солнцем, ее количества достаточно для обеспечения большинства экзогенных процессов, протекающих в географической оболочке, а также для существования биосферы. Солнечная энергия во взаимодействии с потенциальной энергией вертикальных тектонических движений литосферы, питает экзогенные процессы, направленные на денудацию суши, на перемещение продуктов денудации к основанию склонов материков. Впоследствии эти продукты становятся важнейшей частью вещества, из которого в зонах конвергенции образуется новая континентальная кора. Таким образом, в географической оболочке осуществляется своеобразная «конвекция», при которой происходит активный обмен веществом и энергией между внешними геосферами и геосферами твердой Земли.